電池工作原理

1. 引言 2. 電池電源和使用方法

引言

電池無處不在——在汽車、計算機、筆記本電腦、便攜式MP3播放器以及手機中都有它的身影。電池實際上是一個由大量可以生成電子的化學物質組成的裝置，生成電子的化學反應稱為“電化學反應”。本文從電池的基本工作原理、電池內部發生的實際化學反應、電池未來的發展前景以及可能會取代電池的能量源等方面對電池進行了全面介紹。

如果你留意一下電池，便會發現它有兩個端子。一個端子標記為（+）（正極），另一個端子標記為（-）（負極）。在AA型、C型或D型電池（普通的手電筒電池）中，電池的兩端便是端子。在大型的汽車蓄電池中，有兩個較重的極柱用作端子。

電子聚集在電池的負極端子，如果在負極端子和正極端子之間連接一根金屬線，電子便會從負極端子迅速流向正極端子（并且會瞬間擊壞電池——這種情況通常比較危險，尤其對于大型電池更是如此，因此切勿執行此操作）。通常情況下，應使用金屬線將某種類型的負載連接到電池，負載可以是燈泡、電動機或類似無線電這樣的電路。

電池內部的化學反應可生成電子，兩個端子之間流動的電子數量取決于此化學反應生成電子的速度（電池的內部電阻）。電子從電池流入金屬線，并且必須從負極端子流向正極端子才會發生化學反應。這就是電池在閑置一年以后仍具有大量能量的原因——除非電子從負極端子流向正極端子，否則將不會發生化學反應。當連接金屬線后，將開始發生化學反應。

1800年，Alessandro Volta（伏特）發明了第一塊電池。為了制作這塊電池，他將鋅片、用鹽水浸泡過的吸墨紙和銀片交替堆疊在一起，如圖所示：

種結構稱為伏打電堆。伏打電堆的頂層和底層必須是不同的金屬，如圖所示。如果用一根金屬線將伏打電堆的頂部和底部連接在一起，便可以從電堆中測量到電壓和電流。電堆的高度不受限制，每增加一層都會使電壓按固定值遞增。

在十八世紀發電機誕生之前（發電機于十八世紀70年代誕生并得到完善），Daniell電池（另有三個別名：因鋅電極的典型形狀而得名的“Crowfoot電池”，因重力使兩種硫酸鹽分開而得名的“重力電池”，以及因為使用液體電解質而得名的“濕電池”，它與現代“干電池”正相反）是極為普遍的電報和門鈴供電裝置。Daniell電池是由銅極板和鋅極板以及硫酸銅和硫酸鋅組成的濕電池。

要制作Daniell電池，請將銅極板置于玻璃瓶的底部。向銅極板上倒入半瓶硫酸銅溶液。然后將鋅極板懸于瓶中（如圖所示），并慢慢將硫酸鋅溶液倒入瓶中。由于硫酸銅的密度大于硫酸鋅，因此硫酸鋅將“懸浮于”硫酸銅之上。顯而易見，這種方法并不適用于手電筒，但對于固定設備卻比較適合。如果你可以使用硫酸鋅和硫酸銅，則可以嘗試自制一個Daniell電池。

實驗

如果要了解用于制作電池的電化學反應，可以輕松地在家進行實驗，以嘗試不同的組合。要準確地進行這些實驗，您需要在當地的電子市場或硬件商店購買一個廉價（10美元至20美元）的伏特-歐姆表。確保伏特-歐姆表可以顯示低電壓（位于1伏范圍內）和低電流（位于5至10毫安范圍內）。這樣，您便可以確切看到電池發生的反應。

首先，可以使用硬幣和紙板自制一個伏打電堆。將鹽與水混合在一起（盡量達到飽和），并將紙板浸入鹽水中。然后將一美分硬幣和五美分硬幣交替堆疊在一起，查看電堆生成的電壓和電流讀數是多少。改變電堆的層數，并查看它對電壓的影響。節日嘗試交替堆疊一美分硬幣和十美分硬幣，并查看結果如何。也可以交替堆疊十美分硬幣和五美分硬幣。還可以嘗試使用的其他金屬包括鋁箔和鋼，而每個金屬組合都會生成略微不同的電壓。

另一個可以嘗試的實驗需要使用嬰兒食品罐（如果你的家里沒有嬰兒，只需在商場購買幾個嬰兒食品罐，然后將其中的食品全部倒出即可）、稀酸、金屬線和釘子。向罐中倒滿檸檬汁或醋（稀酸），然后將一根釘子和一根銅線放入罐中，使其互不接觸?？梢試L試使用鍍鋅釘和普通的鐵釘。然后將伏特表與釘子和銅線連接在一起，測量電壓和電流。將檸檬汁替換為鹽水，并使用其他硬幣和金屬，可以查看其對于電壓和電流的影響。

你可以制作的最簡單的電池或許稱作鋅碳電池。通過了解該電池內部發生的化學反應，你可以對電池的基本工作原理有所了解。

假設有一瓶硫酸（H2SO4），將鋅棒放入其中后，硫酸會立即將鋅棒溶解。隨后會看到鋅棒上生成了氫氣氣泡，此時鋅棒和硫酸將開始變熱。下面介紹了所發生的化學反應：

• 硫酸分子離解為三個離子：兩個H+離子和一個SO4--離子。

• 鋅棒表面上的鋅原子失去兩個電子（2e-），變為Zn++ 離子。

• Zn++離子與SO4--離子結合生成ZnSO4，后者溶解于硫酸。

• 鋅原子失去的電子與硫酸中的氫離子結合生成H2分子（氫氣）。因此我們看到鋅棒上產生了氫氣泡。

如果此時將一根碳棒放入硫酸中，則硫酸與碳棒之間不會發生任何反應。但如果在鋅棒與碳棒之間連接一根金屬線，則將發生兩個變化：

• 電子流經金屬線并與碳棒上的氫結合，因此碳棒上開始產生氫氣泡。

• 熱量已經減少?？梢允褂昧鹘浗饘倬€的電子為電燈泡或相似負載供電，并可以測量金屬線的電壓和電流，而某些熱能已轉化為電子移動。

而電子很難移動到碳棒，因為它們更容易與碳棒上的氫結合。該電池將產生0.76伏的特征電壓。最終，鋅棒將完全溶解，或硫酸中的氫離子被耗光，從而使電池“耗盡”。

電池電源和使用方法

任何電池的內部均發生相同類型的電化學反應，從而導致電子從一極移動到另一極。電池的電壓取決于實際使用的金屬和電解液——每個不同的反應都具有一個特征電壓。例如，下面介紹了汽車鉛酸蓄電池的某個電池單元中發生的電化學反應：

• 該電池單元有兩個極板，一個是鉛極板，另一個是二氧化鉛極板，兩個極板浸泡在強硫酸電解液中。

• 鉛與SO4結合生成PbSO4和一個電子。

• 二氧化鉛、氫離子和SO4離子以及鉛極板中的電子在二氧化鉛極板上生成PbSO4和水。

• 電池放電時，兩個極板上均生成PbSO4（硫酸鉛），而硫酸中生成水。每個電池單元的特征電壓大約為2伏，因此六個電池單元組合在一起構成了一個12伏蓄電池。

鉛酸蓄電池有一個很好的特性，即反應完全可逆。如果在適當的電壓下向電池充電，兩個極板上將再次生成鉛和二氧化鉛，從而可以不斷地重復使用蓄電池。在鋅碳電池中，由于很難使氫氣返回到電解液中，因此很難發生逆向反應。

現代電池使用各種化學物質為反應提供能量。典型的化學電池包括：

• 鋅碳電池——（也稱為標準碳電池）所有廉價的AA型、C型和D型干電池均使用鋅碳化學物質。電極為鋅和碳，兩極之間采用酸性糊狀液體作為電解液。

• 堿性電池——用于常見的Duracell（金霸王）和Energizer（勁量）電池，電極為鋅和二氧化錳，并使用堿性電解液。

• 照相機鋰電池——照相機中的電池使用鋰、碘化鋰和碘化鉛，因為它們能夠提供電涌保護。

• 鉛酸電池——用于汽車，電極為鉛和二氧化鉛，并使用強酸電解液（可充電）。

• 鎳鎘電池——電極為氫氧化鎳和鎘，并使用氫氧化鉀作為電解液（可充電）。

• 鎳金屬氫化物電池——此類電池將很快取代鎳鎘電池，因為前者不存在記憶效應，而后者卻存在（可充電）。

• 鋰離子電池——由于具備極佳的功率重量比，因此此類電池通常用于高端筆記本電腦和手機（可充電）。

• 鋅空氣電池——此類電池重量輕，并可以充電。

• 鋅汞電池——此類電池通常用于助聽器。

• 鋅銀電池——由于具備良好的功率重量比，因此此類電池用于航空航天設備。

• 金屬氯化物電池——此類電池用于電動車。

在幾乎所有使用電池的設備中，你都不可能一次僅使用一個電池單元。通常需要將電池單元串聯在一起形成更高的電壓，或將其并聯在一起形成更高的電流。使用串聯結構可以增加電壓。使用并聯結構可以增加電流。下圖顯示了這兩種結構：

上面的結構稱為“并聯”結構。如果假設每個電池單元生成1.5伏電壓，則四個并聯電池也將生成1.5伏電壓，但提供的電流卻為單個電池單元的四倍。下面的結構稱為“串聯”結構。四個電壓加在一起將生成6伏電壓。

通常情況下，當你購買電池包時，包裝上會顯示電池的額定電壓和額定電流。例如，我的數碼相機使用四節鎳鎘電池，每個電池單元的額定電壓為1.25伏，額定電流為500毫安時，額定毫安時表示電池理論上可以在一小時內生成500毫安的電流。您可以將額定的毫安時劃分為多種不同的形式，一個500毫安時的電池可以在100小時內生成5毫安電流，在50小時內生成10毫安電流、在20小時內生成25毫安電流，或（在理論上）在1小時內生成500毫安電流，甚至在30分鐘內生成1,000毫安電流。

但電池并不具備如此高的線性。首先，所有電池都有一個額定的最大電流——一個500毫安時的電池無法在1秒內生成30,000毫安電流，原因是該電池的化學反應無法在如此短的時間內發生，并且在更高的電流強度下，電池會生成大量熱量，從而損失了某些能量。此外，在極低的電流強度下，許多化學電池的壽命可能會比預期的壽命長或短。但在通常的使用范圍內，可以對額定毫安時進行一定程度的線性劃分。使用額定的毫安時，可以粗略估計電池在給定負載下的持續供電時間。

如果將四個1.25伏、500毫安時的電池串聯在一起，則最終的電壓為5伏(1.25x4)，電流為500毫安時；如果將這四個電池并聯在一起，則最終的電壓將為1.25伏，電流為2,000（500x4）毫安時。

您是否見過普通9伏電池的內部結構？

制造商警告不要拆卸電池，以免造成人身傷害。此處顯示了一個部分拆卸的 9 伏電池。

該電池包含6個非常小的電池，每個電池在串聯結構中可以生成1.5伏電壓！